Comprendre comment l'énergie se dissipe dans un environnement liquide constitue l'un des défis majeurs de la physico-chimie ultrarapide. Dans une solution, les interactions entre le solvant et les molécules dissoutes gouvernent les mécanismes de relaxation, de réactivité et de transfert de charge. Pourtant, les premières étapes de ces processus se déroulent sur des échelles de temps de quelques femtosecondes seulement, jusqu'à présent difficilement accessibles expérimentalement.
Dans ce travail, des chercheurs du LIDYL (Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers, CEA-Iramis), en collaboration avec le Centre for Free-Electron Laser Science (DESY, Hambourg), l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), et l'Université de Rome La Sapienza, ont utilisé une combinaison unique d'impulsions laser infrarouges ultrabrèves de cinq femtosecondes et de sondes ultraviolettes à large bande de seulement deux femtosecondes pour suivre directement les mouvements vibrationnels de l'eau liquide. Ils ont mis en évidence les oscillations cohérentes associées aux vibrations d'élongation O–H ainsi que leur déphasage extrêmement rapide, caractéristique des interactions collectives au sein du réseau de liaisons hydrogène.
© CEA-Iramis
Au-delà de la compréhension fondamentale de l'eau, ces résultats démontrent la capacité de cette approche à suivre en temps réel les échanges d'énergie entre une molécule et son environnement. Ils ouvrent ainsi la voie à l'étude de dynamiques ultrarapides dans des molécules solvatées, notamment lors de réactions photochimiques ou de transferts de charge, dans des régimes jusqu'ici inaccessibles expérimentalement.
Cette avancée s'inscrit dans le cadre d'une collaboration internationale de longue date entre les équipes du LIDYL/CEA-Iramis, du DESY/CFEL, de l'EPFL et leurs partenaires. Ces laboratoires comptent parmi les acteurs de référence mondiale dans les domaines des lasers ultrabrefs, de la spectroscopie femto- et attoseconde et de la dynamique de la matière condensée. Le maintien et le renforcement de cette collaboration constituent un atout majeur pour développer de nouvelles approches expérimentales destinées à décrypter les mécanismes fondamentaux qui gouvernent la dynamique des systèmes moléculaires en solution.